引  言

滾動軸承是轉動類機械設備不可或缺的重要基礎零部件之一，在服役過程中其表面承受著周期性交變載荷、沖擊和摩擦磨損作用，工況環境十分惡劣。由表面磨損引起的軸承精度降低成為滾動軸承最主要的失效形式。隨著機械設備不斷朝著高速化、綠色化、高效化方向發展，軸承的服役工況愈發惡劣，對軸承性能提出了更高要求。為了提高軸承表面的耐磨性能，延長軸承的服役壽命，國內外學者開展了大量有關軸承鋼表面滲氮、離子注入、電沉積、物理氣相沉積、熱噴涂等表面改性與表面涂層的研究工作。

物理氣相沉積作為一種綠色低碳的表面涂層技術，包括蒸發鍍、磁控濺射、電弧離子鍍等方法，在電子信息、航空航天、核電、汽車、太陽能、醫療器械等高端制造領域應用廣泛，其在軸承上的應用也備受關注。其中，磁控濺射TiN涂層的硬度高，耐磨性好，但TiN涂層與GCr15軸承鋼的結合強度低，雖然可以通過電子束輻照后處理提高TiN涂層與軸承鋼基體的結合力，但工藝控制嚴格。與磁控濺射相比，電弧離子鍍沉積的涂層具有更好的結合性能，因而更適用于鋼質基體表面涂層的制備。電弧離子鍍制備的TiN涂層結合力可達82N，同時其摩擦因數低、硬度高，因此軸承表面的耐磨性能大幅提高。采用電弧離子鍍方法在M50高溫軸承鋼表面制備TiN涂層后，與 40CrNiMoA鋼表面鍍銀層摩擦時的摩擦因數低至0.1左右，尤其是在大接觸載荷條件下，其低摩擦因數優勢更為明顯，與無涂層軸承鋼相比，表面制備TiN涂層的軸承鋼的耐磨粒磨損性能得到顯著提高。相比于TiN涂層，TiAlN三元涂層具有更高的硬度、更好的耐磨性能和抗氧化性能，其在切削刀具領域應用廣泛，推測也可以應用于軸承鋼表面以提高軸承的耐磨性 能。然而，現有研究表明，采用磁控濺射方法 在軸承鋼表面制備的TiAlN三元涂層的結合性能和耐磨性能較在硬質合金和高速鋼表面制備的 TiAlN涂層低。另外，除耐磨性能外，抵抗沖擊載荷破壞的能力也是軸承的重要性能指標。基于此作者采用電弧離子鍍方法在軸承鋼表面沉積TiN和TiAlN涂層，對比研究了2種氮化物涂層的微觀結構、硬度、抗沖擊性能和耐磨性能，研究結果可為高性能軸承的制備提供試驗參考。

1、  試樣制備與試驗方法

在AS720型硬質涂層系統中采用電弧離子鍍方法在GCr15軸承鋼基體表面分別沉積TiN和TiAlN涂層。基體為油淬+回火態，淬火溫度為850℃，保溫時間為1h，回火溫度為160℃，保溫時間為4h。基體尺寸為5mm×12mm×18mm，表面經打磨、拋光處理，最后清洗干凈。采用氬離子對基體表面進行刻蝕，進一步去除表面吸附的雜質，隨后加熱至400 ℃后沉積涂層。在沉積TiN涂層和TiAlN涂層時，分別使用一對純鈦靶和一對Ti40Al60靶作為蒸發源，弧電源工作時的功率為2kW，爐內工作氣體為氮氣，工作壓力為3Pa，基體偏壓為-40V，沉積時間為 80min。

采用JSM-IT500型掃描電子顯微鏡觀察涂層的表面形貌，并用其附帶的Oxford型X射線能譜儀(EDS)分析涂層微區成分。采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成，采用銅靶Kα射線，工作電壓為40kV，工作電流為40mA，掃描范圍為30°~70°，掃描步長為0.02°。采用HV-1000型維氏硬度計測涂層的硬度，載荷為 0.098N，保載時間為15s，每個試樣測5次取平均值。采用壓痕法利用Rockwell型硬度計表征涂層的結合性能，載荷為588N，在掃描電子顯微鏡下觀察壓痕形貌，對照德國工 程師手冊（VDI3198)對涂層的結合情況進行評級。在參照GB/T1732-2010標準自制的落球沖擊試驗裝置上對涂層進行沖擊試驗，將質量為3.5g、直徑為10mm的陶瓷球從1m的高度自由下落，撞擊放在 正下方的試樣表面，在 MR2000型光學顯微鏡下觀察沖擊前和經 20，30，40次沖擊后試樣表面沖擊坑處的涂層損傷情況。采用MFT-4000型多功能材料表面性能試驗機對涂層試樣和基體試樣進行往復干摩擦磨損試驗，對磨件為直徑6mm的 GCr15鋼球，試驗載荷為9.8N，行程為5mm,磨損速度為200mm.min-1，磨損時間為60min，采用ContourGT型光學輪廓儀測磨痕的尺寸并計算體積磨損量；用掃描電子顯微鏡觀察磨痕形貌，并用EDS對磨痕表面進行微區成分分析。

2、  試驗結果與討論

1、微觀結構

由圖1可知，采用電弧離子鍍方法在軸承鋼基體上制備的2種涂層表面平整。TiN涂層表面凸浮顆粒、微孔等缺陷較少；而TiAlN涂層表面微孔和顆粒較多，最大顆粒尺寸達 2μm。這種顆粒缺陷稱為液滴(圖1中箭頭所指位置)，這種現象在含鋁涂層中十分明顯，這是因為鋁的蒸發溫度低于鈦(壓力1 Pa時鋁的蒸發溫度為1272 ℃，鈦的蒸發溫度為1737℃)，在TiAl靶表面微熔池蒸發時，鋁優先以液滴狀脫離靶面，最終在基體上冷凝形成顆粒。由EDS分析得到，TiN涂層微區成分 (原子分數/%)為48.3Ti，51.7N，而TiAlN涂層為19.5Ti，31.6Al，48.9N。TiN涂層中鈦與氮的原子分數比近似為1：1，符合TiN相的原子化學計量比(1∶0. 37~1∶1. 2)。TiAlN涂層中鈦+鋁與氮的原子分數比也近似為1∶1，同時鈦與鋁的原子分數比與靶材中二者含量之比接近。

圖 1  不同涂層的表面微觀形貌

由圖2可知，TiN涂層中除了基體Fe的衍射峰外，還存在面心立方結構的TiN(111)晶面和TiN(200)晶面的衍射峰，且TiN(200)晶面的衍射峰強度為TiN(111)晶面的數十倍，這表明TiN涂層生長時發生了明顯的擇優取向。除了基體Fe的衍射峰外，TiAlN涂層只有一個較明顯的衍射峰，對應TiAlN(200)晶面。TiAlN晶體通常被認為是TiN晶體中的部分鈦原子被鋁原子替代所形成，本質上與TiN的晶體結構相同，但是由于鋁原子半徑小于鈦原子半徑，TiAlN晶體的晶格常數略小于TiN晶體的晶格常數，因而TiAlN(200) 晶面的衍射峰 峰位相對于TiN(200) 晶面衍射峰峰位向大角度方 向發生了明顯的偏移。TiAlN涂層的唯一(200) 晶面衍射峰也說明TiAlN涂層在生長過程中也發生了擇優取向。涂層的結晶取向取決于應變能和表面能的競爭結果。根據Wullf理論，晶體生長是其總表面能趨于最小的過程，對于面心立方結構晶體，(200) 晶面表面能最低，因此TiN和TiAlN涂層以(200) 晶面擇優生長。

圖 2  不同涂層的 XRD譜

2、硬度和結合性能

TiN涂層和TiAlN涂層的硬度分別為 2060.3，3390.8HV，為基體硬度(689.5HV)的3.0倍和4.9倍。可見，淬火+低溫回火后軸承鋼的表面硬度遠低于氮化物涂層的硬度，同時在鋁原子的固溶強化作用下，TiAlN涂層的硬度顯著高于TiN涂層。

由圖3可知，TiN涂層壓痕周圍無任何剝落，壓坑內及壓坑周圍均出現了少量微裂紋，結合等級為HF1，這是表征結合強度的最高等級，說明涂層與軸承鋼基體結合非常良好。另外，TiN涂層壓痕邊緣處出現了下塌式的嚴重塑性變形，這可能是由于TiN涂層硬度不足難以支撐壓頭的下壓力而發生的。TiAlN涂層壓坑周圍也未發生剝落，壓坑內出現了細長的裂紋并延伸至壓坑外圍；除了徑向裂紋外，壓痕外圍還出現了2~3 圈環形裂紋，表明TiAlN涂層脆性較大。TiAlN涂層的結合等級為HF2，說明涂層與軸承鋼基體的結合也較好。

圖 3  不同涂層表面的壓痕形貌

涂層中的內應力是影響涂層結合性能的決定性指標，包括本征應力和熱應力。通常情況下，本征應力遠小于熱應力，因此涂層的內應力可由熱應力估算。涂層熱應力σ的計算公式如下 :

式中：Ec為涂層的彈性模量；νc為涂層的泊松比；αc，αsub分別為涂層和基體的熱膨脹系數；T，T0分別為涂層沉積溫度和冷卻后的溫度。

涂層的沉積溫度為400 ℃，涂層冷卻后的溫度為25 ℃，軸承鋼基體的熱膨脹系數參考高速鋼取11.7×10-6K-1，TiN涂層和TiAlN涂層的熱膨脹系數分別為9.35×10-6，7.4×10-6K-1，2種涂層的彈性模量均取 400GPa，泊松比取0.23，計算得到TiN和TiAlN涂層的熱應力分別為0.46，0.84GPa。由此推斷，較大的殘余熱應力導致TiAlN涂層與軸承鋼基體的結合性能較差 。

3、抗沖擊性能

由圖4可知，經過20次沖擊后，TiN涂層和TiAlN涂層表面均產生了輕微的塑性變形，沖擊變形區局部表面有輕微擦傷點,隨著沖擊次數的增加，表面擦傷點增多，但涂層均未出現剝落和開裂現象，表明這2種涂層的抗沖擊性能良好。

圖4  不同次數沖擊前后不同涂層的表面形貌

4、 耐磨性能

由圖5可知，基體和2種涂層的摩擦因數均呈先迅速增大后小幅降低再趨于穩定的趨勢。GCr15軸承鋼基體的平均摩擦因數為0.43，TiN涂層和TiAlN涂層的平均摩擦因數分別為0.42，0.36。可見，沉積氮化物涂層后軸承鋼表面的摩擦因數降低。

圖 5  基體和不同涂層的摩擦因數曲線

由圖6可見，TiN涂層表面磨痕寬度較小，磨痕中出現了幾處明顯的磨損條帶，計算得到的體積磨損量為1.26×10-3mm3。TiAlN涂層表面磨痕寬度較大，但是深度很淺，這是因為TiAlN涂層的硬度高，對磨球被磨損得較快，與涂層之間的磨損區域尺寸較大，所以 TiAlN涂層表面磨痕寬度較大而深度較淺，其體積磨損量僅為0.54×10-3mm3。軸承鋼基體表面磨痕的寬度與TiAlN涂層相當，但是其磨痕區域形成了大量的溝壑，這是因為軸承鋼硬度較低，形成的磨屑容易在軸承鋼表面劃下犁溝，其體積磨損量高達1.51×10-3mm3。可知，TiAlN三元涂層的耐磨性能更佳。

圖 6  不同涂層及基體的磨痕宏觀形貌

由圖7和表1可知：TiN涂層磨痕中存在很淺的犁溝，犁溝區域(位置1)的成分主要為鈦、氮元素，鐵、鉻元素含量很少，說明該區域的涂層仍然完好；磨損條帶區域高低不平，表面十分粗糙，該區域(位置2)以鐵、鉻元素為主，說明該區域的涂層幾乎全部剝落或被磨損。TiAlN涂層磨痕中僅存在一些淺的犁溝，磨痕中間區域相對光滑，上下邊緣區域相對粗糙，這是因為在摩擦磨損過程中磨損產生的 磨粒向邊緣位置堆積。TiAlN涂層磨痕中間(位置3)和邊緣區域(位置4)的成分基本相同，均以氮、鋁、鈦元素為主，鐵元素含量極少，未檢測到鉻元素，表明TiAlN涂層磨痕區域的涂層仍然完好。軸承鋼基體表面磨痕中犁溝較深，磨痕區域粗糙，基體表面發生了十分嚴重的磨粒磨損。TiN和TiAlN涂層表面形成了較淺的犁溝，磨損機制雖為磨粒磨損，但磨損程度較輕，其中 TiAlN涂層表面犁溝更淺，且涂層未發生剝落，耐磨性能更好。綜上，利用電弧離子鍍工藝在軸承鋼表面制備的TiAlN涂層的結合性能和抗沖擊性能與TiN涂層相當，硬度和耐磨性能均高于TiN涂層，因此TiAlN涂層更適用于提高軸承鋼的表面耐磨性能。

圖 7  不同涂層及基體的磨損微觀形貌

表1 圖7中不同位置的EDS分析結果

3. 結 論

采用電弧離子鍍方法在軸承鋼基體上制備的TiN和TiAlN涂層表面平整，表面均存在少許液滴缺陷，其中TiAlN涂層表面液滴缺陷更多；TiN和TiAlN涂層均為面心立方結構晶體，均以(200) 晶面擇優生長。

TiN涂層和TiAlN涂層的硬度分別為2060.3，3390.8HV，為軸承鋼基體硬度(689.5HV)的3.0倍和4.9倍。TiN和TiAlN涂層與軸承鋼的結合性能良好，結合力等級為HF1~ HF2，40次沖擊試驗后TiN和TiAlN涂層表面均未出現剝落和開裂現象，抗沖擊性能良好。

TiN涂層和TiAlN涂層與軸承鋼對磨時的平均摩擦因數分別為0.42，0.36，體積磨量分別為1.26×10-3，0.54×10-3mm3，均低于基體；基體表面發生十分嚴重的磨粒磨損，磨痕區域存在大量深度較大的犁溝，TiN和TiAlN涂層表面形成了較淺的犁溝，磨損機制均為磨粒磨損，其中TiAlN涂層表面犁溝更淺，磨損程度更輕。